近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了一種基于雙碳結(jié)構(gòu)的鈣型雙離子電池。相關(guān)研究成果A Novel Calcium-Ion Battery Based on Dual-Carbon Configuration with High Working Voltage and Long-Cycling Life 已在線發(fā)表于國際材料科學(xué)期刊Advanced Science（Advance Science, 2018, DOI: 10.1002/advs.201701082）上。
 

(a) 基于雙碳結(jié)構(gòu)的鈣型雙離子電池的充放電機(jī)理示意圖；(b)充放電曲線圖；(c)dQ/dV曲線圖

 

　　自1991年鋰離子電池成功商業(yè)化以來，便廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備、新能源汽車以及儲(chǔ)能領(lǐng)域。然而，由于鋰資源的儲(chǔ)量有限且分布不均，以及鋰離子電池回收困難，造成鋰離子電池的成本逐漸升高，難以滿足未來社會(huì)對大規(guī)模能源儲(chǔ)存對低成本及環(huán)保易回收方面的要求。相對于鋰離子而言，鈣具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，且儲(chǔ)量豐富。此外，鈣離子帶2個(gè)電荷，標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢為-2.868V，與鋰接近，使得鈣離子電池有望成為下一代新型高效環(huán)保儲(chǔ)能器件。但是，在傳統(tǒng)有機(jī)電解液中金屬鈣表面易發(fā)生鈍化，導(dǎo)致鈣離子不能像鋰離子一樣可逆沉積，且鈣離子電池材料研發(fā)困難，多數(shù)鈣離子電池只能在高溫下進(jìn)行可逆充放電，造成了鈣離子電池發(fā)展緩慢。

 

　　鑒于此，唐永炳及其團(tuán)隊(duì)成員吳石、張帆等人成功研發(fā)出一種基于雙碳結(jié)構(gòu)的鈣型雙離子電池。該電池材料廉價(jià)易得并且環(huán)保，采用膨脹石墨作為正極材料，PF6-陰離子可以在其片層結(jié)構(gòu)中可逆地嵌入/脫出；采用中間相碳微球作為負(fù)極材料，Ca2+可以在其片層結(jié)構(gòu)中可逆地嵌入/脫出。電解液采用基于六氟磷酸鈣做電解質(zhì)的碳酸酯類電解液。研究表明，該鈣型雙離子電池可以在室溫下實(shí)現(xiàn)可逆充放電，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：平均工作電壓高達(dá)4.6V，1C倍率下循環(huán)300圈后容量保持率為94%。這種新型鈣離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鈣離子電池的研究開拓了新思路，也為基于多價(jià)金屬離子電池的研究提供了借鑒意義。

 

　　該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。